Precision Farming Samplingstrategien f¼r die Datenerfassung

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  • Precision Farming Samplingstrategien fr die Datenerfassung
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  • 10.07.03S. Vollmer - Samplingstrategien1 Inhalt Sampling: Definition & warum? Samplingarten & Vorstellung Reprsentativitt Rasterproben & Abtastung Abtastfehler & Vermeidung Fazit Quellenverzeichnis
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  • 10.07.03S. Vollmer - Samplingstrategien2 Abgeleitet von sample Stichprobe Jedes Element einer Menge zu betrachten oft zu aufwndig (Vollerhebung) Gesamtmenge = Grundgesamtheit bzw. Population Merkmale der Grundgesamtheit = Parameter Aussage ber Grundgesamtheit ber ungefhre Parameterwerte diese werden aus der Stichprobe ermittelt Stichprobe reprsentiert die gesamte Menge Definition: Sampling
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  • 10.07.03S. Vollmer - Samplingstrategien3 Samplingarten (1) Sampling im Precision Farming = Methodik der Stichprobennahme Das gewhlte Verfahren der Faktor-Erfassung (z.B. Bodenart, Nhrstoffgehalt, Schdlingsbefall, ) hat mageblichen Einfluss auf die Genauigkeit der erzeugten GIS-Karte Es gibt viele Mglichkeiten eine Flche zu beproben Jedes Sampling-Muster kann zu einem anderen Ergebnis fhren
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  • 10.07.03S. Vollmer - Samplingstrategien4 Samplingarten (2) Es gibt viele Arten von Stichproben, hier die wichtigsten... Sampling Probability (random) Simple Random Stratified Random Systematic Random ClusterMulti-Stage Non- Probability
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  • 10.07.03S. Vollmer - Samplingstrategien5 Legende keine Schdlinge viele Schdlinge normal viele Schdlinge extrem viele Schdlinge
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  • 10.07.03S. Vollmer - Samplingstrategien6 Non-probability sampling einfache Geometrie der Probennahme Ergebnis nicht immer reprsentativ fr die GG Beispiel: Durchschnittsprobe an einer kleinen Ackerflche Einzelproben
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  • 10.07.03S. Vollmer - Samplingstrategien7 Probability sampling zu deutsch: Zufallsauswahl Zufall = statistischer Begriff jedes Element der Grundgesamtheit kann mit der gleichen Wahrscheinlichkeit in die Stichprobe aufgenommen werden Beispiel: ziehen eines Namens aus einer Dose Nicht: Befragung zufllig vorbeikommender Personen (da sie nicht zu einer vorab definierten GG gehren) umfasst jegliches random sampling
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  • 10.07.03S. Vollmer - Samplingstrategien8 Simple random sampling zu deutsch: einfache Zufallsauswahl bezeichnet die einfachste Form des random sampling jedes Element der GG kann mit der gleichen Wahrscheinlichkeit Grundgesamtheit Einzelproben
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  • 10.07.03S. Vollmer - Samplingstrategien9 Stratified random sampling Grundgesamtheit zu deutsch: geschichtete Zufallsauswahl Aufteilung der GG in einander ausschlieende Gruppen dann simple random sampling in jeder Gruppe Hopfen Gerste Weizen Einzelproben
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  • 10.07.03S. Vollmer - Samplingstrategien10 Grundgesamtheit Systematic random sampling (I) 1110 1 234 5678 912 13141516 17181920 Aufteilung der GG in N Teile, festlegen des Probenumfangs n bestimmen der Intervallgre k=N/n, Wert zwischen 1 und k auswhlen von diesem Wert an jeden k-ten Teil beproben N = 20 n = 10 k = 20/10 = 2 Wert zw. 1 und 2 2 Start bei 2 Dann jedes 2te Feld
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  • 10.07.03S. Vollmer - Samplingstrategien11 Grundgesamtheit Systematic random sampling (II) andere Mglichkeit: Rasterbeprobung (grid sampling) hat eigentlich nichts mit random zu tun anlegen eines Rasters, Probennahme in den Schnittpunkten Einzelproben
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  • 10.07.03S. Vollmer - Samplingstrategien12 Grundgesamtheit Cluster sampling zu deutsch: Klumpenauswahl Aufteilung der GG in einander ausschlieende Gruppen Vollerhebung zufllig ausgewhlter Gruppen cluster zufllig ausgewhlter cluster Vollerhebung
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  • 10.07.03S. Vollmer - Samplingstrategien13 Multi-stage sampling Grundgesamtheit Kombination mehrerer sampling-Methoden Steigerung der Effizienz, mobile GIS am Feldrand Bsp: waren die Ergebnisse zufllig? (cluster + simple sampling) cluster (bekannt) neue Grundgesamtheit (gewhlter Probenort) Einzelproben
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  • 10.07.03S. Vollmer - Samplingstrategien14 Reprsentativitt also sollten alle Faktoren bestmglich erfasst werden Beispiel: Ermittlung des Nhrstoffgehalts eines Ackers darauf achten, dass nicht nur auf Hgeln (wenig Nhrstoff), sondern auch in Senken (viel Nhrstoff) Messungen durchgefhrt werden Stichprobe soll GG reprsentieren z.B. durch Anwendung von stratified sampling (Gruppen: Hgel, Senken)
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  • 10.07.03S. Vollmer - Samplingstrategien15 Rasterbeprobung sondern je nach geforderter Detailgre in Rasterflchen (1-5 ha) aufgeteilt es werden dann die einzelnen Rasterfelder beprobt (je 12-16 Einzelproben) sehr groe Flchen werden nicht direkt beprobt (Datenmasse) Rastergre bestimmt somit die Abbildungsgenauigkeit in einer Karte Original 3x34x46x612x12
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  • 10.07.03S. Vollmer - Samplingstrategien16 Abtastung je nach Rastergre fhrt die Abtastung zu einer Reduktion der Auflsung (vgl. jpg-Komprimierung von Bilddateien) d.h.: Strukturen von Gre der Abtastschrittweite oder kleiner knnen verloren gehen Abtastung bedeutet stets Datenverlust, da kontinuierliche Informationen auf ein Raster von Punkten reduziert werden bei der Abtastung feiner Strukturen treten Fehler auf: 1D-Fall: Aliasing 2D-Fall: Moir-Effekte Diese Probleme treten bei der Digitalisierung analoger Daten immer auf Sie sind ein generelles Problem der Signalverarbeitung
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  • 10.07.03S. Vollmer - Samplingstrategien17 Moir-Effekt Beispiel: ein Objekt mit zwei unterschiedlich starken Schraffuren wird durch ein 2D-Gitter abgetastet die Abtastung liefert die Schraffuren mit vernderter Periode und Richtung Original jeder 4te Punkt in jeder Richtung abgetastet jeder 5te Punkt in jeder Richtung abgetastet
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  • 10.07.03S. Vollmer - Samplingstrategien18 Aliasing Beispiel: ein sinusfrmiges Signal wird in Schritten, die etwas krzer als die Wellenlnge des Signals sind, abgetastet die Abtastung liefert ein Signal von viel grerer Wellenlnge
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  • 10.07.03S. Vollmer - Samplingstrategien19 Abtasttheorem diese sind im sog. Abtasttheorem definiert um die gezeigten Probleme zu lsen mssen Bedingungen aufgestellt werden, unter denen die Abtastung die Realitt korrekt und vollstndig wiedergibt dieses kommt zu folgendem Schluss: man erhlt nur dann die korrekte periodische Struktur, wenn pro Wellenlnge mindestens zwei Abtastpunkte gesetzt werden f A 2 f S die Abtastfrequenz (f A ) muss also mindestens doppelt so hoch sein wie die Signalfrequenz (f S ) fr das Precision Farming bedeutet dies, dass die Gre von Raster und Stichprobe an die Struktur und Beschaffenheit der zu unter- suchenden Variablen (z.B. Schdlingsfelder) angepasst werden muss
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  • 10.07.03S. Vollmer - Samplingstrategien20 Rasteranpassung Beispiel: Erfassung eines Schdlingsnestes f A 2 f S nicht erfasst! erfasst! 9m 9x9-Raster 3x3-Raster
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  • 10.07.03S. Vollmer - Samplingstrategien21 Fazit unterschiedliche Samplingarten liefern unterschiedliche Ergebnisse welche Methode man whlt muss angepasst werden an die zu erfassende Variable und die geforderte Genauigkeit die Praxis ist durch Zeit/Kosten-Fragen motiviert, darum muss das Sampling innerhalb eines Tages (Zeitdiskret) abgeschlossen sein optimal wre beispielsweise ein multi-stage sampling bestehend aus einem 6x6-Raster mit anschlieendem simple random sampling der schwarzen Felder (Schdlinge)
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  • 10.07.03S. Vollmer - Samplingstrategien22 Quellen Backes, M., Plmer, L.: On the adequacy of GIS-generated weed maps for Precision Farming, Proceeding of the 9th Scandinavian Research Conference on Geographical Information Sciences, Ed. K. Virrantaus, H. Tveite, pp. 261 -268, 2003 http://trochim.human.cornell.edu/kb/sampprob.htm Jhne, B.: Digitale Bildverarbeitung 2002, 5. Aufl., Springer Verlag Yehua Zhang: Sampling, Join Synopsen Oliver Deussen: Das Abtasttheorem Ludowicy, C., Schwaiberger, R., Leithold, P.: Precision Farming, 2002, DLG Verlag Binns, M.R., Nyrop, J.P., Van der Werf, W.: Sampling and Monitoring in Crop Protection, 2000